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L'esperimento di fusione che guarda al futuro del nucleare

Il macchinario per la fusione Z (Z-Machine) è forse l’esperimento più fantascientifico mai realizzato nel campo.

di Michael Byrne
14 ottobre 2014, 1:06pm

Immagine: Sandia Labs

Il macchinario per la fusione Z (Z-Machine) è forse l'esperimento più fantascientifico mai realizzato, in un campo di ricerca che già di suo è spesso considerato come pura fantascienza. Tuttavia, i ricercatori che lavorano all'esperimento Z-Machine, con sede ai Sandia National Laboratories in New Mexico, ritengono di aver fatto importanti progressi in questa ricerca del Sacro Graal dell'energia―avrebbero cioè ottenuto un "numero significativo" di neutroni, sottoprodotti delle reazioni di fusione.

La fusione non è nient'altro che la promessa di ottenere energia praticamente gratis, una versione del nucleare che però non produce scorie ed è basata su un processo che si auto-limita. Il che significa: no guasti e no resti radiattivi da nascondere sotto il tappeto mentre i politici si passano la patata bollente sulle loro responsabilità.

Quella della fusione nucleare è una sfida talmente importante che molti paesi del mondo hanno deciso di investire nel megaprogetto di ITER, situato nel sud della Francia. Con il costo di 50 miliardi di dollari, è il progetto scientifico più costoso mai realizzato dall'uomo. Tuttavia, ITER non è da solo in questo ambito, e progetti di dimensioni decisamente inferiori, come la Z-Machine, continuano a inseguire questo sogno energetico con quantità di denaro molto più esigue. E in questo caso anche il modo di operare è radicalmente diverso.

La questione cruciale nel processo di fusione è che i nuclei degli atomi si respingono tra loro a causa delle varie forme di forza elettromagnetica: cariche uguali si respingono, cariche opposte si attraggono. Queste forze elettromagnetiche possono essere estremamente potenti a distanza ravvicinata e, per far avvicinare i nuclei abbastanza da farli fondere, devono entrare in collisione a una velocità superiore ai 1000 km al secondo.

Questo tipo di collisione può essere realizzato mediante enormi quantità di calore, con temperature che arrivano fino ai 50 milioni di gradi Celsius.

Per creare un tale calore, c'è bisogno di moltissima energia. Per realizzare una reazione di fusione, si devono investire enormi quantità di energia e, a fusione riuscita, sorge anche la questione se la quantità di energia ottenuta sia maggiore o minore di quella utilizzata per facilitare la reazione stessa. Per come è ora la situazione, è come se nella ricerca della fusione nucleare ci fosse un litro di benzina gratis che ci aspetta a una quantità di chilometri x: al momento questa quantità x è tanto grande che dobbiamo usare molti litri di carburante per raggiungere quell'unico litro di benzina gratis, e il risultato non è altro che un grande spreco.

Il progetto ITER è costruito attorno a quello che viene chiamato "reattore Tokamak." Quest'ultimo è sostanzialmente una piscina a forma di ciambella con del plasma riscaldato a temperature altissime che contiene il carburante per la reazione di fusione. Più i suoi atomi si muovono e si scontrano, più si ottiene calore. Questi scontri possono accadere con energia abbastanza elevata da far sì che gli atomi si fondano.

Un approccio alternativo alla fusione comporta l'esplosione di piccoli frammenti di idrogeno con l'utilizzo di raggi laser ad altissima energia. L'idea è che il raggio comprima l'idrogeno abbastanza intensamente da far avvenire la reazione di fusione. Questo è l'approccio adottato dalla California National Ignition Facility. Né il Tokamak, né l'approccio laser, però, hanno portato a una reazione in cui l'energia scaturita fosse maggiore di quella utilizzata per il processo.

La tecnica di fusione Sandia è come se prendesse un po' da una tecnica e un po' dall'altra, secondo quanto affermato da Daniel Clery su Science. "Conosciuto come Fusione della Fodera Inerziale Magnetizzata (MagLIF), la tecnica consiste nel mettere un po' di combustibile di fusione (un gas di deuterio, isotopo dell'idrogeno) all'interno di una piccola scatola di metallo di 5 millimetri di diametro e 7,5 millimetri di altezza. I ricercatori hanno quindi utilizzato la Z Machine per imprimere una scarica di corrente19 milioni di Ampere dalla durata di appena 100 nanosecondi, attraverso il contenitore. Si crea così un potente campo elettromagnetico che schiaccia il contenitore verso l'interno a una velocità di 70 km/s."

Nel frattempo il combustibile viene preriscaldato con un altro raggio laser debole e viene applicato un campo magnetico per tenerlo in posizione. Così si ottiene un plasma riscaldato che viene fatto poi esplodere con un raggio laser. Invece di disperdersi nell'aria, il campo magnetico vincola il plasma in modo che il laser lo possa comprimere. E finalmente avviene la fusione.

Gli ultimi risultati di Sandia sono stati pubblicati recentemente sulla rivista Physical Review Letters. I fisici hanno effettuato una reazione a 35 milioni di gradi Celsius con ogni impulso da circa 2 trilioni di neutroni; i neutroni sono uno dei prodotti della reazione di fusione dei due nuclei degli atomi di deuterio (o elio-3, o trizio). Le emissioni di raggi X hanno indicato che la reazione ha prodotto "una regione di carburante caldo" che è durata per circa 2 nanosecondi.

Come osserva Clery, il numero di neutroni è aumentato di 100 volte rispetto alla sperimentazione di un anno fa, ma il progetto avrà ancora bisogno di battere l'attuale numero di 10 000 volte, per ottenere la stessa quantità di energia. Sembra una cosa impossibile, ma le simulazioni hanno suggerito che la potenza massima di Sandia, 27 milioni di Ampere, è sufficiente a produrre una reazione che raggiunga un punto di equilibrio.

"In un impianto del futuro, le particelle alfa intrappolate riscalderanno ulteriormente il plasma e faranno aumentare il tasso di fusione, un processo necessario per la fusione dove vi sia un pareggio tra l'energia utilizzata e quella prodotta, o di più", ha affermato Adam Sefkov, autore dello studio.

Un miglioramento di questo genere porterebbe al raggiungimento dei 60 milioni di Ampere, sufficiente perché si possa pensare di metterlo in commercio. Uno studio del 2012 che presenta i risultati delle simulazioni di fusione della Z-Machine intorno ai 60 milioni di Ampere, ha concluso "con una corrente di 60 MA l'energia è superiore a 100, una quantità più che sufficiente per le applicazioni delle energia di fusione."